生物技术药物虚拟实验室建设的思考

曹颖瑛，张俊平，厉建中，曹 岩，朱臻宇，姜远英 (第二军医大学药学院新药研究中心， 上海 004;第二军医大学药学院生化药学教研室;第二军医大学药学院药物分析学教研室; 通讯作者)

生物技术药物将基因工程、细胞工程、分子生物等学科的基本理论和技术方法与药物研究有机结合起来，用来诊断、治疗和预防疾病的发生，是药学本科和生物技术本科一门重要的专业课程。其知识领域的发展日新月异，这就要求在教学过程中，除了注重基础理论知识的讲授，还需及时融合相关技术的最新进展。

而生物技术药物实验教学作为整个课程教学的一个重要环节，是学员将基本理论与操作技能、抽象分析与实例验证相结合的重要手段，具有很强的综合性和实践性，有利于学员的观察能力、动手能力和思维能力的培养。因此，如何改进生物技术药物实验课程，从而增强该课程实验教学的效果，是值得我们深入探讨的。

1 传统实验教学模式存在的主要问题

传统实验教学模式在生物技术药物实验教学中存在一些困难和局限，在一定程度上影响了教学质量。这些困难和局限主要表现在以下方面。

1.1 实验周期长和课时少的矛盾突出 学员在前期课程培养中，相应的生物技术知识技能培训更多停留在理论层面，致使学员该方向动手能力不足。而大多数生物技术药物实验步骤多，周期长，在设置的有限实验课时内，即使优化实验内容，也难以使学员对实验基本操作技能达到熟练掌握的要求。同时，技能的生疏，可能造成学员在实验过程中的失误，无法完成实验，也没有足够的时间补做，导致一些操作部分没有得到锻炼，也缺乏对实验的整体体会，进一步影响实际教学质量。

1.2 实验条件有限，成本高 生物技术药物实验所消耗的材料和试剂价格较为昂贵，实验经费相对紧张，且课程实验对教学设备、场地、师资等实验条件的要求也较高，基本的实验训练开展受到诸多限制。许多仪器如电泳仪、离心机等往往属于教学科研共用，为避免学员违反操作规程或操作疏忽而造成的仪器损坏，教学过程中，采用在老师指导下小组分配使用的模式，甚至由老师固定人员代为操作，使大部分学员对该仪器的认识仍停留在抽象和模糊的状态。这些因素间接影响实验教学的效果，不利于培养学员发现问题和解决问题的能力，产生资金投入与人才培养之间的矛盾。

1.3 实验技能复杂繁多，不易开展设计性实验 设计性实验要求学员在理解实验原理的前提下，能够灵活运用实验技能，具有消化知识后在不同情境下举一反三的能力。而生物技术药物实验处理过程比较复杂，对专业化程度要求高，且相关技术和方法发展更新快，即使研究生也需一定时间的专业培训和准备，才能独立完成相关实验。仅仅经历少量验证性实验的本科生，一般都难以在实验设计层面做出合理有效的改进，也无法保证实验的可靠性。

2 虚拟实验室的必要性

如何在现有条件下克服上述困难，是当前迫切需要解决的问题。随着计算机技术和网络技术的不断发展，虚拟实验室已经成为当前实验教学发展的一个重要方向，是解决教育资源相对短缺，帮助学员更好地理解和掌握重点和难点知识，提高技能培训质量的有效手段［1］。将虚拟实验技术引入生物技术药物的实验教学，以计算机辅助教学来补充常规实验教学，就显得非常必要。

2.1 突破时间和空间的限制，降低实验成本 虚拟实验室基于网络，具有良好的开放性，实现资源共享。师生可随时随地介入，进行交流，不受时间、空间和实验次数的限制，给学生提供一个全新的学习环境。而且，鉴于生物技术药物的特殊性，完整地完成某些实验一般需要数天，许多耗时步骤需老师提前准备，学员只是完成其中的关键操作，如在虚拟实验室中，学员可以独立完成整个实验，提高实验课的上课效率，达到全程体验的目标。

虚拟实验室利用软件全程模拟仿真实验，降低学员对真实实验材料和设备的依赖性，节省大量的实验经费。同时，在技术更新而设备实物暂时无法跟进的情况下，可以通过软件设计使虚拟仪器不断补充，以较小的成本保持实验课程的先进性、全面性、完整性。

2.2 避免传统实验可能的风险 生物技术药物实验操作中，不可避免的涉及到部分有毒试剂，如蛋白质电泳实验的必需试剂聚丙烯酰胺，直接接触皮肤或由呼吸道吸入后具有神经毒性。另外，学员对一些仪器操作也经验不足、注意力不集中，失误时有发生，容易损坏仪器设备。这些因素都可能对实验室安全和学生健康产生威胁，有的甚至造成不可逆的严重损害。仅采用示教或者视频的方式来取代实验规避风险，学生没有切身体会，无法获得感性认识。通过虚拟实验室中的模拟操作，在关键位点设置危险提示和后果场景，可反复加深学员的印象，培养良好实验习惯，从而避免其在实践时手忙脚乱，造成安全隐患。同时，采用虚拟实验室，也能降低传统实验教学中大量废弃试剂排放所造成的环境污染［2］。

2.3 给实验课的预习和复习工作提供了学习平台生物技术药物实验步骤复杂，牵涉的知识点较多，需要学生通过预习来理解实验原理，熟练实验方法。传统通过精读讲义和说明书的预习方式，有些专业表述晦涩难懂，效果欠佳，往往需要老师在实验前再次强调。虚拟实验室可让学员在实验之前有针对性地体验整个操作过程，为下一步进入实验室的实际操作奠定基础。

实验完成后，由于受到主客观条件的限制，一般难以重复实验，实验室过程中的疑点往往得不到验证。虚拟实验室可以让学员进行多次的模拟实验，甚至实现根据学员的意愿调节实验进程，从而使学生看到传统实验条件下容易忽略的细节，加深在实验的过程中对知识的理解，是较好的巩固与复习的材料。

2.4 宽松的实验环境易于激发学习兴趣 虚拟实验室将图片、音频、视频和动画等融合在一起，再造逼真的实验场景，使学员沉浸其中，从而产生身临其境的感受，以第一人称视点对实验场景中的“自己”完全控制，通过鼠标、键盘等下达不同的动作指令并接受反馈信息，完成人机交互，使操作者产生与现实中同样的体验。虚拟实验室的这种“沉浸感”和交互性特点使用户真正成为实验的参与者，而不是旁观者。类似于游戏的操作营造一种生动活泼、轻松愉快的教学氛围，充分调动了学员学习的兴趣，大大提高了学习积极性。

2.5 提供学员参与实验设计的可能 在虚拟实验室中，学员除了熟悉实验流程和操作技能外，更关注实验的整体设计思路，根据实验过程中产生的疑惑在虚拟平台上探讨教学实验中条件微调情况下实验结果的预测，帮助学员更好的理解。在此基础上，可以设置一些超出常规实验范畴的课题，让学生通过个性化的实验设计，进行研究性学习，使不同水平的学生都能发展自己的实验设计能力，有助于学生的思维能力和创新能力的培养。

3 生物技术药物虚拟实验室开发的注意事项

3.1 注意虚拟实验和现实实验的平衡 虚拟实验与实际实验手段存在一定的差异，鼠标和键盘的操作缺乏实物的操作手感，如离心机如何调整平衡等。虚拟实验也无法全面反映真实实验的复杂性，尽管虚拟实验室已经熟练了操作流程，一旦虚拟情境中设定的理想状态出现突发状况，如实验试剂不合格，造成实验结果异常，学员可能会不知所措。必须合理均衡虚拟实验与实际实验，让学员将虚拟实验的心得在现实中通过训练真正做到融会贯通［3］。

3.2 制作和维护需多方共同参与 在虚拟实验室的开发过程中，软件制作者没有相应的专业知识，难以完成符合生物技术药物学术规范的应用程序。因此，需要实验教学经验丰富的老师参与脚本的编写和软件的调试，尤其是在虚拟情境中，重演真实实验中历届学员的失误，排查可能存在的安全隐患，模拟条件的改变对结果的影响等，起到警示和启发的作用。同时，虚拟实验室的使用对象主要是学员，为提高学员的认可度，可以让学员参与体现方式的设计，如设置类似游戏的难度选项等［4］。

3.3 软件选择宜大众化 虚拟实验室开发完成后，应具备管理者甚至用户逐步添加项目的功能。因此，其制作最好选择小巧，部署方便，实用的大众化软件，便于上手，以提高用户的参与度。

总之，虚拟实验技术作为一个新型的教学媒体，在不同学科的实验教学和训练中正在充当越来越重要的角色，对未来教学领域发挥着其重要作用。建设好高水平的虚拟实验室信息平台，其自身强大的教学优势和潜能，最终会在生物技术药物实验教学中广泛应用并发挥其重要作用。

［1］谢雨桐.网上教育:虚拟实验室［J］.世界科学，2013，9:10－12.

［2］郭丽娟，曾明，蒋银燕.浅谈虚拟实验室在医学院校实验教学中的应用［J］.科协论坛:下半月，2011，1:177.

［3］谢炜，居颂光，葛彦，等.虚拟实验室在免疫学实验教学中的应用［J］.中国教育技术装备，2011，36:113 －115.

［4］陶清源，王岩，任浩，等.虚拟现实技术在医学实验教学课程中的应用［J］.基础医学教育，2012，14(8):627 －628.